PHOSPHORUS CYCLE IN THE SOIL

Фосфор относится к достаточно широко распространенным в природе химическим элементам. Из-за своей высокой химической активности в свободной форме не встречается в природе, а в виде различных соединений содержится в гидросфере и литосфере в виде фосфатов, преимущественно фосфата кальция, содержится в растениях и животных, а вот в атмосфере отсутствует полностью.

Фосфор является важным для живых организмов элементов, входя в состав костной ткани, белков, аденозинтрифосфата, ДНК и РНК. Работа мозга и сокращение мышечных тканей связаны с превращениями органических соединений фосфора в организме животных и человека. Для растений, особенно в вегетационный период и при молодом возрасте, фосфор играет по важности вторую роль после азота, участвуя во всех обменных процессах и регуляции дыхания растений, поддерживая процесс фотосинтеза

В связи с этим важно проводить исследования и мониторинг за круговоротом фосфора в природе, особенно в агроэкосистемах. Необходимо учитывать особенности процессов трансформации форм фосфора в почвах различного состава и влияние различных факторов на процессы трансформации. Следует грамотно подбирать и рационально использовать удобрения и мелиоранты для корректировки фосфатного режима и равновесной концентрации фосфора в почве.

Целью данной работы является рассмотрение основных процессов трансформации и миграции фосфора во время его круговорота в почве.

Круговорот фосфора является одним из биогеохимических циклов и включает в себя его миграцию через литосферу, гидросферу и биосферу в результате различных физико-химических процессов. Атмосфера практически не участвует в круговороте фосфора в связи с тем, что фосфор и его соединения при обычных температуре и давлении остаются твердыми веществами. В наибольшем количестве фосфор в природе содержится в горных минералах, морских отложениях и гуано, важным источником фосфора является растительный опад

Круговорот фосфора в почве является частью глобального круговорота фосфора в природе и заключается в трансформации органических соединений фосфора, которые не усваиваются растениями, в неорганические фосфаты в результате деятельности фосфоробактерий почвы. Фосфаты усваиваются растениями, которыми питаются животные, а после вместе с продуктами жизнедеятельности и в результате гниения растительных и животных останков органические соединения фосфора вновь попадают в почву.

Особенностями круговорота фосфора являются наименьшая замкнутость из-за выноса большого его количества в океан, в котором происходит его осаждение, и медленная скорость миграции фосфора через почву или океан. С развитием сельскохозяйственной деятельности масштабным источником поступления соединений фосфора в почву является применение фосфорсодержащих удобрений

Общее количество фосфора или валовый фосфор представляет собой общее содержание органических и минеральных соединений, которое в верхних горизонтах почвы в большинстве случаев выше, чем в нижних. Это связано с поступлением большей части фосфора через верхние слои и аккумулятивной функцией корневых систем растений и бактерий. В то же время концентрация фосфора повышается с увеличением степени дисперсности частиц, достигая максимума для частиц размером менее 1 мкм, составляющих так называемую илистую фракцию почвы

При этом большая часть фосфора содержится в почве в минеральной форме в виде ортофосфатов, преимущественно минералов апатитовой группы: фторапатита [Са3(РО4)2]3·CaF2 и гидроксилапатита [Са3(РО4)2]3·Ca(ОН)2, плюмбогумита РbАl3Н(ОН)6(РО4)2, вавеллита Аl(РО4)4(ОН)6·5Н2О и вивианита Fе3(РO4)2·8Н2O

Большая часть органических соединений фосфора (до 50-80%) входит в состав гумуса, некоторая их часть содержится в плазме микроорганизмов

При поступлении фосфора в почву происходят процессы его биологической иммобилизации микроорганизмами, образования нерастворимых осадков фосфатов с двухвалентными металлами, оксидами и гидроксидами алюминия, железа, марганца и др., адсорбция фосфат-ионов на поверхности глинистых минералов, минеральных и органических коллоидов

При этом в почве постоянно протекают процессы взаимопревращения органических и минеральных соединений фосфора, а большая часть соединений фосфора входит в состав комплексных органо-минеральных соединений.

Растения способны усваивать фосфор только из почвенного раствора, при этом для поддержания равновесия часть фосфора, адсорбированного в твердой фазе, переходит в почвенный раствор. На примере гидроксилапатита процесс растворения будет выглядеть следующим образом

Ca10(OH)2(PO4)6 = 10Ca2+ + 6PO43- + 2OH-

К важным показателям, характеризующим процесс десорбции фосфора из твердой фазы является фосфатная буферность, т.е. способность почвы длительное время поддерживать определенную концентрацию фосфора в почвенном растворе для питания растений.

В то же время высокая способность почвы поглощать фосфор нежелательна для сельского хозяйства, т.к. адсорбированный фосфор становится недоступным для растений. Постоянно проходящие процессы мобилизации и иммобилизации фосфора формируют фосфатный фонд, являющийся резервом для питания растений. Равновесная концентрация фосфора является важнейшим показателем фосфатного режима почвы.

Легче в почвенный раствор переходят водорастворимые минеральные соединения, преимущественно гидрофосфаты и дигидрофосфаты, и соединения, растворимые в слабо-кислых средах, однако значительная часть почвенного фосфора входит в состав стабильных малорастворимых в почве соединений и практически недоступна для питания растений. К тому же минеральные фосфаты находятся в постоянном динамическом равновесии между различными формами и постоянно трансформируются из одной формы в другую с образованием метастабильных форм. Процесс трансформаций обычно идет в сторону образования менее растворимых соединений, например, при взаимодействии суперфосфата и карбоната кальция образуется слаборастворимый гидрофосфат

Ca(H2PO4)2 + CaCO3 + 3H2O = 2CaHPO4∙2H2O + CO2

В то же время наблюдается тенденция, согласно которой при повышении содержания фосфора за счет удобрений в процессах трансформации образуется больше труднорастворимых и нерастворимых соединений, а при активном потреблении растениями фосфора сверх вносимых удобрений активизируются процессы трансформации с получением более растворимых и подвижных форм фосфора

Влияние на эти процессы оказывает состав, pH, температура, режим аэрации и влажность почвы. Наибольшее влияние оказывает pH почвы, например, в кислых почвах гидроксиды железа и алюминия образуют с фосфат-ионами ряд слаборастворимых и практически недоступных растениям соединений

Fe,Al(OH)2+ + H2PO4- → Fe,Al(OH)2H2PO4 →

→ Fe,Al(OH)HPO4 → Fe,AlPO4

В то же время в щелочных почвах ионы ОН- вытесняют (замещают) ионы PO4- из аморфных фосфатов железа и алюминия, переводя их в растворимую форму и образуя нерастворимые гидроксиды

Fe,AlPO4 + 3OH- ↔ Fe,Al(OH)3 + PO43-

Это активизирует процессы мобилизации, может приводить к процессам выщелачивания и миграции фосфора, для предотвращения которых используют материалы для иммобилизации: глинистые минералы, биоуголь, полиакриламид, гуминовые вещества и др.

Кислотность почвы существенно влияет и на растворимость фосфатов кальция. Нерастворимые апатиты за счет присоединения ионов водорода частично или полностью переходят в слаборастворимые и растворимые фосфаты

Ca5(PO4)3OH + 4H+ → 3CaHPO4 + 2Ca2+ + H2O

Ca5(PO4)3OH + 7H+ → 5Ca2+ + H2O + 3H2PO4-

Ca10(PO4)6CO3 + 12H+ → 10Ca2+ + CO2 + 6H2PO4-

Часть минеральных соединений фосфора могут растворяться под влиянием кислых продуктов метаболизма бактерий, например, диоксид углерода, выделяемый микроорганизмами при разложении органических веществ, способствует образованию водорастворимого монокальциевого фосфата

Ca5(PO4)2 + 2H2CO3 = 2CaHPO4 + Ca(HCO3)2

Режим аэрации оказывает значительное влияние на железосодержащие соединения фосфора, т.к. в анаэробных условиях Fe3+ восстанавливается до Fe2+ с освобождением фосфорного остатка

3FePO4 → Fe(PO4)2 + PO43-

Из представленного в работе материала следует, что в настоящее время в круговороте фосфора присутствуют две глобальных проблемы. Первой проблемой является вынос больших количеств фосфора в водные объекты, в т.ч. в мировой океан, где происходит осаждение. Это на долгое время выводит фосфор из биогеохимического цикла и уменьшает количество фосфора, участвующего в круговороте. Второй проблемой является в большинстве случаев нерациональное использование удобрений, приводящее к неравномерной фосфатизации суши и эвтрофикации водоемов при выносе в них избыточных количеств фосфора.

В настоящее время процессы трансформации и миграции фосфора при его круговороте в различных типах почв изучены достаточно широко и подробно. В последнее время дальнейшие исследования этих процессов проводятся для учета особенностей участия различных сельскохозяйственных растений в круговороте фосфора. Внимание также уделяется взаимосвязи круговоротов различных элементов в почве.

На основании накопленных и вновь получаемых знаний необходимо проводить грамотное и рациональное применение удобрений и иммобилизующих фосфор материалов для снижения причин и последствий выявленных проблем. Учитывая и меняя параметры, оказывающие влияние на процессы трансформации соединений фосфора, можно повысить его содержание в доступных для питания растений формах для повышения урожайности и сохранения концентрации фосфора на оптимальном для сельскохозяйственной деятельности уровне.